一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法与流程

本发明涉及船舶载荷设备数字化建模，具体为一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法。

背景技术：

1、我国领海面积广阔，其中蕴含了丰富的海洋资源，建设“海洋强国”已经成为国家层面的发展战略，特别进入21世纪以来，伴随着科学技术的快速发展，大量海洋开发活动兴起，船舶技术的发展也逐渐多元化，各类船舶任务载荷设备的加入使得船舶在海上搜救与打捞、警戒探测、反潜等民用与军用领域都发挥着重要作用。但各类设备的增加也让船舶系统的复杂度直线上升，使得船舶新型号的研发周期和研发成本都大大增加。

2、为降低研发成本，缩短研发周期，船舶出海试航前往往会为船舶上相关设备搭建模拟器，以验证船舶各个设备之间通信和流程衔接的正确性，缩短海上实物试验周期，降低成本。但模拟器功能较为简单，仅仅表达相应接口输入输出报文的收发和反馈，无法表达复杂载荷设备的物理原理，且模拟器与特定型号绑定严重，成果难以针对不同型号得到有效复用。

3、为改善当前现状，针对有着固定运行流程的船舶载荷装置，提出了一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模方法，该方法通过机理模型去表达载荷设备的运行原理，开展载荷设备的性能计算，通过状态流程模型表达载荷设备在系统中的运行流程，从而将载荷模型快速串联到系统当中，支持系统整体任务流程的验证。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，该方法通过机理模型去表达载荷设备的运行原理，开展载荷设备的性能计算，通过状态流程模型快速表达载荷设备在系统中的运行流程，从而将载荷模型快速串联到系统当中，支持系统整体流程的验证。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，包括以下步骤：

6、步骤1.基于载荷设备物理原理的模型分解；

7、步骤2.载荷设备多物理特性机理模型建模；

8、步骤3.系统运行流程梳理和模型构建；

9、步骤4.机理模型与流程模型的集成；

10、步骤5.基于协议的通信接口互通和联合仿真。

11、进一步地，所述步骤1中，基于载荷设备物理原理的模型分解具体包括：在载荷设备模型构建之前需要了解载荷设备的组成及运行原理，根据载荷设备系统拓扑组成及工作原理，依据层次化结构原理，按照设备组成与功能原理开展系统分解，确定各个设备之间接口和逻辑关系，采用多领域统一建模软件mworks.sysplorer，基于多物理建模语言modelica建立分系统模型，组成系统模型库。

12、进一步地，所述层次化，即模型库结构要设计合理、层次清晰、逻辑清楚，以便为后续模型管理提供层次化的结构。

13、进一步地，所述步骤2中，载荷设备多物理特性机理模型建模具体包括：在完成载荷设备分系统模型和系统模型库构建后，按照载荷设备拓扑原理和各个组件的连接关系，从系统模型库中采用拖拽和连线的方式快速搭建出载荷设备机理模型，组件与组件之间采用连接器连接，从而开展载荷设备在不同状态下的性能计算，支撑响应该状态下的命令和状态反馈。

14、进一步地，所述连接器，通过组件间或子系统间连接可实现组件或子系统的交互通讯，对于物理组件模型的连接器，必须在物理上能够连接组件，连接器具体可分为流体连接器、热连接器、机械连接器和电连接器等，连接器的通讯是通过连接器变量实现的，所述连接器的变量分为两种，即流变量和势变量，同类型的连接器可以根据需要自由连接，流变量和势变量遵守广义基尔霍夫定律，连接会生成非因果的连接方程，无需指定求解顺序。

15、进一步地，所述步骤3中，系统运行流程梳理和模型构建具体包括：根据实际载荷设备在大系统中的运行流程，对载荷设备不同状态的流程关系进行梳理，同时明确载荷设备各状态之间切换控制命令的输入逻辑，搭建载荷设备状态运行流程模型，通过运行流程模型，表达载荷设备在不同流程状态下的切换和保持。

16、进一步地，所述步骤4中，机理模型与流程模型的集成具体包括：将建立完成的载荷设备状态流程模型与其本身多物理机理模型进行混合集成。

17、进一步地，所述步骤5中，基于协议的通信接口互通和联合仿真具体包括：通过通信协议连接模型与其他控制设备之间进行数据交互。

18、(三)有益效果

19、本发明提供了一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法。具备以下有益效果：

20、1、本发明提供了一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，该方法通过机理模型去表达载荷设备的运行原理，开展载荷设备的性能计算，通过状态流程模型快速表达载荷设备在系统中的运行流程，从而将载荷模型快速串联到系统当中，支持系统整体流程的验证。

21、2、本发明提供了一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，该方法可以将新建立的载荷模型快速运用到系统模型的流程验证当中，且可以更加直观便捷地表达载荷设备的命令响应和流程状态的转移过程，提升了建模便利性和模型的易用性，从而降低实船调试成本，缩短试验周期。

22、3、本发明提供了一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，可将其运用在船舶载荷模型的构建和集成上，通过modelica语言构建船舶载荷设备多物理特性机理模型，可快速开展船舶载荷设备性能计算，同时面向于船舶系统对载荷模型的集成，通过对载荷设备运行流程进行分析，引入载荷模型状态流程建模，与多物理特性机理模型形成混合建模，从而将构建好的载荷模型快速地集成到船舶系统当中去，用于船舶系统流程任务的试验验证，与现有方法相比，该方法简化了载荷设备与船舶控制系统之间的耦合关系，省略了部分非必要连接设备的建模，能够大幅缩短研发周期，降低研发成本。

技术特征：

1.一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤1中，基于载荷设备物理原理的模型分解具体包括：在载荷设备模型构建之前需要了解载荷设备的组成及运行原理，根据载荷设备系统拓扑组成及工作原理，依据层次化结构原理，按照设备组成与功能原理开展系统分解，确定各个设备之间接口和逻辑关系，采用多领域统一建模软件mworks.sysplorer，基于多物理建模语言model ica建立分系统模型，组成系统模型库。

3.根据权利要求2所述的一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，其特征在于，所述层次化，即模型库结构要设计合理、层次清晰、逻辑清楚，以便为后续模型管理提供层次化的结构。

4.根据权利要求1所述的一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤2中，载荷设备多物理特性机理模型建模具体包括：在完成载荷设备分系统模型和系统模型库构建后，按照载荷设备拓扑原理和各个组件的连接关系，从系统模型库中采用拖拽和连线的方式快速搭建出载荷设备机理模型，组件与组件之间采用连接器连接，从而开展载荷设备在不同状态下的性能计算，支撑响应该状态下的命令和状态反馈。

5.根据权利要求4所述的一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，其特征在于，所述连接器，通过组件间或子系统间连接可实现组件或子系统的交互通讯，对于物理组件模型的连接器，必须在物理上能够连接组件，连接器具体可分为流体连接器、热连接器、机械连接器和电连接器等，连接器的通讯是通过连接器变量实现的，所述连接器的变量分为两种，即流变量和势变量，同类型的连接器可以根据需要自由连接，流变量和势变量遵守广义基尔霍夫定律，连接会生成非因果的连接方程，无需指定求解顺序。

6.根据权利要求1所述的一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，系统运行流程梳理和模型构建具体包括：根据实际载荷设备在大系统中的运行流程，对载荷设备不同状态的流程关系进行梳理，同时明确载荷设备各状态之间切换控制命令的输入逻辑，搭建载荷设备状态运行流程模型，通过运行流程模型，表达载荷设备在不同流程状态下的切换和保持。

7.根据权利要求1所述的一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤4中，机理模型与流程模型的集成具体包括：将建立完成的载荷设备状态流程模型与其本身多物理机理模型进行混合集成。

8.根据权利要求1所述的一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤5中，基于协议的通信接口互通和联合仿真具体包括：通过通信协议连接模型与其他控制设备之间进行数据交互，将建立完成的载荷设备状态流程模型与其本身多物理机理模型进行混合集成，使得流程模型中的不同状态与机理模型相对应，从而将整个载荷设备系统流程状态和设备运行状态结果通过约定的通信协议进行输出，通过接收命令、转移状态、性能计算和反馈状态完成载荷设备模型的响应闭环。

技术总结
本发明提供一种多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，涉及船舶载荷设备数字化建模技术领域。该多物理特性机理模型与状态流程模型的混合建模与仿真方法，包括以下步骤：步骤1.基于载荷设备物理原理的模型分解；步骤2.载荷设备多物理特性机理模型建模；步骤3.系统运行流程梳理和模型构建；步骤4.机理模型与流程模型的集成；步骤5.基于协议的通信接口互通和联合仿真。本发明中，该方法通过机理模型去表达载荷设备的运行原理，开展载荷设备的性能计算，通过状态流程模型快速表达载荷设备在系统中的运行流程，从而将载荷模型快速串联到系统当中，支持系统整体流程的验证。

技术研发人员：王拯,刘奇,黄磊,蒋兴沛,刘伟
受保护的技术使用者：武汉鼎元同立科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/3